彭山東,丁撼,唐進(jìn)元
(1.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,410083,長(zhǎng)沙;2.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,410083,長(zhǎng)沙)
螺旋錐齒輪由于具有承載能力大、傳動(dòng)比大、重合度高且能傳遞空間相交軸和交錯(cuò)軸之間的動(dòng)力等特點(diǎn),成為航空航天、汽車、工程機(jī)械等領(lǐng)域中動(dòng)力傳遞的關(guān)鍵部件。螺旋錐齒輪的形狀和性能對(duì)設(shè)備的使用壽命甚至安全性能有著至關(guān)重要的影響[1],因此關(guān)于螺旋錐齒輪的形性協(xié)同設(shè)計(jì)與制造是很有必要的。Artoni和Gabiccini考慮了齒面接觸印痕的系統(tǒng)優(yōu)化,并且基于齒面ease-off修正研究了傳動(dòng)誤差的變化規(guī)律[2];Ding等提出了多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化系統(tǒng),研究了不確定載荷對(duì)螺旋錐齒輪加載接觸性能的影響[3-6];Deng等通過(guò)將齒輪制造技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)、信息和管理相結(jié)合,建立了基于網(wǎng)絡(luò)的螺旋錐齒輪制造模型[7]。隨著螺旋錐齒輪技術(shù)的發(fā)展,形性協(xié)同制造技術(shù)已經(jīng)通過(guò)現(xiàn)代信息和自動(dòng)化技術(shù)相關(guān)聯(lián)而得到快速發(fā)展。Yang等利用web服務(wù)技術(shù)提出了一種新穎的信息集成服務(wù)平臺(tái),可為齒輪的網(wǎng)絡(luò)化制造提供更好的服務(wù)和支持[8-9];Fung等通過(guò)將質(zhì)量功能部署(QFD)、層次分析和模糊集理論的原理融合到混合系統(tǒng)中,可以確定齒輪設(shè)計(jì)的目標(biāo)[10]。但是,由于螺旋錐齒輪形性協(xié)同制造系統(tǒng)涉及到實(shí)際齒輪加工、真實(shí)齒輪測(cè)量、加工參數(shù)反調(diào)等諸多環(huán)節(jié),其整個(gè)系統(tǒng)流程繁雜而且穩(wěn)定性差[11],尤其以通用加工參數(shù)為驅(qū)動(dòng)載體的智能化自動(dòng)識(shí)別、控制及反饋過(guò)程,需要充分考慮整個(gè)設(shè)計(jì)流程、決策與處理、數(shù)值求解算法的協(xié)同匹配及優(yōu)化關(guān)系,實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的快速高效高質(zhì)量的參數(shù)驅(qū)動(dòng)[5]。因此,本文在國(guó)內(nèi)外有關(guān)齒輪形性協(xié)同制造的基礎(chǔ)上,提出了一種改進(jìn)的定義-測(cè)量-分析-改進(jìn)-控制(DMAIC)框架,根據(jù)改進(jìn)的參數(shù)驅(qū)動(dòng)關(guān)系形成改進(jìn)的6σ設(shè)計(jì)流程;同時(shí)引入魯棒性多目標(biāo)反調(diào)優(yōu)化方法,構(gòu)建螺旋錐齒輪形性協(xié)同制造的多目標(biāo)反調(diào)優(yōu)化(MOO)模型,利用模糊QFD方法[12]將客戶對(duì)齒輪產(chǎn)品的需求(VOC)反饋轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的產(chǎn)品質(zhì)量信息(CTQ),建立相應(yīng)的質(zhì)量屋(HOQ),并采用MOO求解方法[13]求解MOO模型,得到加工參數(shù)對(duì)接觸性能的敏感性系數(shù),結(jié)合組成敏感性系數(shù)矩陣,分析得到基于6σ設(shè)計(jì)的加工參數(shù)反調(diào)量,保證齒面接觸性能評(píng)價(jià)項(xiàng)能夠滿足所設(shè)定的目標(biāo)要求,實(shí)現(xiàn)整個(gè)螺旋錐齒輪形性協(xié)同制造的智能參數(shù)驅(qū)動(dòng);并以一對(duì)航空用螺旋錐齒輪為例,采用MOO方法對(duì)其進(jìn)行基于6σ魯棒性的MOO反調(diào)決策與優(yōu)化,得到了加工參數(shù)的反調(diào)量和齒面接觸性能的評(píng)價(jià)項(xiàng)參數(shù)值。
在基于6σ設(shè)計(jì)的螺旋錐齒輪形性協(xié)同制造智能參數(shù)驅(qū)動(dòng)決策與處理中,存在著依托于有限元仿真齒面載荷接觸分析(LTCA)平臺(tái)的設(shè)計(jì)流程復(fù)雜、計(jì)算魯棒性差等問(wèn)題。傳統(tǒng)的基于6σ的設(shè)計(jì)流程主要包括定義、測(cè)量、分析、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證(DMADV)[5]等過(guò)程,其流程方案繁雜且穩(wěn)健性較低,一旦框架不滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求時(shí),就需重新尋找問(wèn)題來(lái)源進(jìn)行流程并進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)流程,提高決策處理的效率和整個(gè)流程的魯棒性。本文基于目前的6σ設(shè)計(jì)研究成果,區(qū)別于DMADV框架,給出了一個(gè)改進(jìn)的基本框架,包括定義、測(cè)量、分析、改進(jìn)和控制(DMAIC),如圖1所示。在傳統(tǒng)流程中的設(shè)計(jì)階段給出了改進(jìn)方案,主要是考慮整個(gè)參數(shù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的智能化程度和魯棒性,提出了基于LTCA的物理性能評(píng)價(jià)的直接參數(shù)驅(qū)動(dòng)函數(shù)關(guān)系[14],并且考慮了幾何與物理性能協(xié)同優(yōu)化的MOO加工參數(shù)反調(diào)過(guò)程,以此完成基于改進(jìn)的6σ設(shè)計(jì)的螺旋錐齒輪形性協(xié)同制造方案設(shè)計(jì)。MOO反調(diào)模型中,f(M,X,Z)描述系統(tǒng)響應(yīng)y,它是初始輸入信號(hào)M、設(shè)計(jì)因子X(jué)和噪聲因子Z的函數(shù)。對(duì)于輸入信號(hào)M,加工參數(shù)被用作協(xié)同制造系統(tǒng)過(guò)程中的設(shè)計(jì)變量。
圖1 形性協(xié)同系統(tǒng)的改進(jìn)的6σ設(shè)計(jì)基本框架
在整個(gè)螺旋錐齒輪形性協(xié)同制造的智能參數(shù)驅(qū)動(dòng)決策過(guò)程中,對(duì)于性能評(píng)價(jià)項(xiàng)與加工參數(shù)的函數(shù)關(guān)系,將采用精確的函數(shù)求解方式完成其關(guān)聯(lián)規(guī)律的直接參數(shù)驅(qū)動(dòng)表達(dá)。首先,建立加工參數(shù)與幾何性能評(píng)價(jià)項(xiàng)的函數(shù)關(guān)系,其參數(shù)驅(qū)動(dòng)表達(dá)式為
(1)
式中:h表示殘余ease-off齒面形貌,是螺旋錐齒輪幾何性能評(píng)價(jià)項(xiàng);M為初始加工參數(shù);M*為MOO反調(diào)后的精確加工參數(shù)。
圖2 螺旋錐齒輪精確有限元模型
對(duì)于加工參數(shù)與物理性能評(píng)價(jià)項(xiàng)的直接參數(shù)驅(qū)動(dòng)關(guān)系,本文主要利用了齒面載荷接觸分析方法[5]。如圖2所示,建立螺旋錐齒輪的有限元模型,考慮齒面接觸受力平衡與變形協(xié)調(diào)條件[15],就可以完成齒面物理評(píng)價(jià)項(xiàng)關(guān)于加工參數(shù)的函數(shù)關(guān)系表達(dá),直接構(gòu)建其多目標(biāo)函數(shù)
(2)
式中:CPMAX是最大接觸壓力;LTEMAX是最大傳動(dòng)誤差;CR是齒輪傳動(dòng)的重合度;η是齒輪的效率。具體的多目標(biāo)函數(shù)關(guān)系構(gòu)建可參考文獻(xiàn)[4-5]。
式(2)聯(lián)立子目標(biāo)函數(shù)f1,可以構(gòu)成5個(gè)目標(biāo)函數(shù)協(xié)同的多目標(biāo)優(yōu)化系統(tǒng),一次完成整個(gè)產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)項(xiàng)的直接參數(shù)驅(qū)動(dòng)決策與優(yōu)化。
圖3 基于改進(jìn)的6σ設(shè)計(jì)的協(xié)同制造的參數(shù)驅(qū)動(dòng)流程
為了滿足螺旋錐齒輪產(chǎn)品的客戶需求,本文提出了考慮幾何與物理性能協(xié)同優(yōu)化的改進(jìn)的6σ設(shè)計(jì)方案?;诟倪M(jìn)的6σ設(shè)計(jì)的螺旋錐齒輪形性協(xié)同制造基本流程如圖3所示,與現(xiàn)有的基于DMADV框架的設(shè)計(jì)流程不同,改進(jìn)的設(shè)計(jì)流程引入了MOO加工參數(shù)反調(diào)設(shè)計(jì)方法。提出的MOO加工參數(shù)反調(diào)是一個(gè)考慮接觸性能和多個(gè)加工參數(shù)相互耦合作用的復(fù)雜系統(tǒng)[16-17]。建立的反調(diào)模型的強(qiáng)烈非線性[18]、子目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)之間耦合性、迭代計(jì)算的收斂性等都將會(huì)較大程度地影響整個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)果的魯棒性。因此,為了保證結(jié)果數(shù)據(jù)的可靠性與精度,需提供合適的決策與優(yōu)化方案,保證參數(shù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與形性協(xié)同制造之間的關(guān)聯(lián)性,必須同時(shí)滿足所設(shè)定的幾何和物理性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。
在當(dāng)前齒輪產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造中,滿足客戶要求始終是設(shè)計(jì)者和制造者追求的目標(biāo)之一。為了更好地將客戶對(duì)齒輪產(chǎn)品的需求(VOC,設(shè)為VOC)反饋轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的產(chǎn)品質(zhì)量信息(CTQ),并保證其精確性和實(shí)用性,本文采用模糊QFD的方法[12],同時(shí)匹配基于模糊QFD的螺旋錐齒輪形性協(xié)同制造的智能參數(shù)驅(qū)動(dòng)決策與優(yōu)化方案。該模糊QFD過(guò)程可表示為[19]
X:VOC?R|→CTQs?R|→X=
[X1,X2,X3,X4,X5]=
[ω1hRMSE,ω2LTEMAX,ω3CPMAX,ω4CR,ω5η]
(3)
式中:wi(i=1,2,…,5)是客戶需求項(xiàng)的最終權(quán)重因子,可以利用在模糊期望值算子中模糊權(quán)重平均值法來(lái)確定,詳細(xì)的過(guò)程可參考文獻(xiàn)[19]。
對(duì)于所提出的設(shè)計(jì)方法,選擇以下幾何和物理性能評(píng)價(jià)指標(biāo):①殘余ease-off的均方根誤差hRSME的最小化,是螺旋錐齒輪設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)幾何性能目標(biāo)評(píng)估項(xiàng);②最大齒面接觸壓力CPMAX的最小化,可以提高強(qiáng)度、降低齒輪破壞形式的風(fēng)險(xiǎn);③最大加載傳動(dòng)誤差(LTEMAX)的最小化,可以減少齒輪傳動(dòng)在其主要包括噪聲和振動(dòng)的工況下的振動(dòng)激勵(lì);④重合度CR的最大化,可以提高齒輪嚙合強(qiáng)度,降低齒輪傳動(dòng)的沖擊頻率;⑤機(jī)械效率η最大化,可以預(yù)測(cè)摩擦功率損失和燃料經(jīng)濟(jì)性。
螺旋錐齒輪形性協(xié)同制造的參數(shù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中,最核心的內(nèi)容就是考慮幾何和物理性能的MOO加工參數(shù)反調(diào)。根據(jù)實(shí)際加工精度可以預(yù)設(shè)齒面ease-off,即基本齒面與目標(biāo)齒面沿法向方向的偏差值,同時(shí)考慮齒面物理性能評(píng)價(jià)項(xiàng)的多目標(biāo)優(yōu)化(MOO)方法,依次確定目標(biāo)齒面,然后以機(jī)床加工參數(shù)為設(shè)計(jì)變量來(lái)考慮設(shè)計(jì)齒面與目標(biāo)齒面的逼近,實(shí)際上表達(dá)的是一個(gè)齒面誤差無(wú)窮小的數(shù)值優(yōu)化過(guò)程,其目標(biāo)函數(shù)可以表示為
(4)
(5)
由于方程式(4)具有強(qiáng)烈非線性,可以轉(zhuǎn)為關(guān)于加工參數(shù)的非線性最小二乘問(wèn)題
(6)
式中:P是齒面ease-off要求的精度閾值,一般是一個(gè)區(qū)間范圍,可以人為預(yù)設(shè)或者由客戶要求。
本文所采用的魯棒性優(yōu)化計(jì)算方法可寫(xiě)成[13]
minF(uy(X),σy(X))
s.t.gi(uy(X),σy(X))≤0,i=1,2,…,m
XL+nσX≤uX≤XU-nσX
(7)
式中:X為設(shè)計(jì)因子;XU和XL分別為X的上、下邊界;m為約束條件數(shù);F為性能評(píng)價(jià)項(xiàng)的均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差的目標(biāo)函數(shù);n為期望的σ水平。
針對(duì)上述提出的MOO基本模型,引入6σ魯棒性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,得到了基于6σ設(shè)計(jì)方法的MOO模型。為了保證結(jié)果數(shù)據(jù)的可靠性與精度,避免多個(gè)加工參數(shù)之間的耦合作用,需要求解齒面誤差對(duì)加工參數(shù)的敏感性系數(shù)矩陣。根據(jù)敏感性系數(shù)矩陣判斷加工參數(shù)對(duì)齒面誤差的影響大小,主要針對(duì)敏感性較大的加工參數(shù)進(jìn)行擇優(yōu)反調(diào)修正,其中所用的敏感性系數(shù)矩陣表示為
(8)
式中:hi(x)表示齒面ease-off關(guān)于加工參數(shù)的函數(shù);xj表示加工參數(shù)。基于建立的幾何性能和物理性能的直接驅(qū)動(dòng)關(guān)系,建立考慮形性協(xié)同的MOO模型,如下式
(9)
式中:σy為設(shè)計(jì)性能響應(yīng)y的標(biāo)準(zhǔn)偏差,可由下式計(jì)算[12]
(10)
(11)
其中μy是性能響應(yīng)y的平均值,σXi和σXj為第i個(gè)和第j個(gè)設(shè)計(jì)變量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。
對(duì)于多目標(biāo)參數(shù)反調(diào)優(yōu)化問(wèn)題,本文采用列文博格-馬跨爾特(L-M)算法[20]進(jìn)行求解,其迭代過(guò)程表達(dá)為
(12)
整個(gè)設(shè)計(jì)求解過(guò)程可以描述如下。
步驟1令K=0;
步驟2根據(jù)客戶需求建立質(zhì)量屋(HOQ),將VOC轉(zhuǎn)化為CTQs;
步驟3建立如方程式(9)所示的MOO系統(tǒng),并設(shè)定對(duì)應(yīng)的目標(biāo)約束條件;
步驟5驗(yàn)證MK∈PS的實(shí)用性,通過(guò)與對(duì)應(yīng)的CTQs的設(shè)定要求值比較;
步驟6通過(guò)求解計(jì)算來(lái)獲得其他M個(gè)數(shù)值解;
本文以一對(duì)航空用螺旋錐齒輪為例,采用的齒坯設(shè)計(jì)參數(shù)和機(jī)床加工參數(shù)見(jiàn)表1、表2,其中將加工參數(shù)作為整個(gè)優(yōu)化參數(shù)驅(qū)動(dòng)過(guò)程的主要輸入信號(hào)??紤]到幾何與物理性能要求,采用提出的模糊FQD方法來(lái)將客戶對(duì)齒輪的產(chǎn)品需求轉(zhuǎn)換成產(chǎn)品質(zhì)量信息,并以最終的幾何與物理性能評(píng)價(jià)項(xiàng)作為性能目標(biāo)驅(qū)動(dòng)整個(gè)流程的求解。從動(dòng)輪所受的扭矩載荷為257.693 N·m,從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為12 767 r/min。
表1 齒坯設(shè)計(jì)幾何參數(shù)
表2 螺旋錐齒輪通用機(jī)床加工參數(shù)
為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間并兼顧反調(diào)效果,本文主要針對(duì)接觸點(diǎn)位置的參數(shù)進(jìn)行反調(diào)修正。根據(jù)齒輪的加工方法不同,主要考慮徑向刀位、滾比、床位、基本搖臺(tái)角等加工參數(shù)的反調(diào)修正?;谔岢龅膮?shù)驅(qū)動(dòng)決策與優(yōu)化方法,計(jì)算各接觸點(diǎn)位置時(shí)各加工參數(shù)對(duì)齒面ease-off的敏感性系數(shù),組合得到各加工參數(shù)對(duì)齒面誤差的敏感性系數(shù)矩陣。表3給出了接觸點(diǎn)位置的加工參數(shù)的敏感性系數(shù)。根據(jù)提出的基于6σ魯棒性優(yōu)化的MOO反調(diào)求解算法,計(jì)算得到的精確加工參數(shù)和相應(yīng)的加工參數(shù)反調(diào)量數(shù)值結(jié)果見(jiàn)表4。
圖4給出了齒面接觸點(diǎn)對(duì)加工參數(shù)的敏感性系數(shù)的拓?fù)鋱D和分布圖。分析對(duì)比各個(gè)加工參數(shù)敏感性系數(shù)可知,基本搖臺(tái)角的敏感性系數(shù)最大,最大值接近5,滾比和機(jī)床安裝根錐角的敏感性系數(shù)次之。因此,為了避免多個(gè)加工參數(shù)之間的耦合作用帶來(lái)不必要的影響,降低反調(diào)計(jì)算的非線性,根據(jù)敏感性系數(shù)矩陣分析結(jié)果可知,主要針對(duì)基本搖臺(tái)角、滾比、機(jī)床安裝根錐角3個(gè)加工參數(shù)進(jìn)行二次優(yōu)化反調(diào)。通過(guò)二次優(yōu)化反調(diào)后,可以得到優(yōu)化反調(diào)的加工參數(shù)反調(diào)量,其參數(shù)的優(yōu)化反調(diào)量見(jiàn)表4。
(a)拓?fù)鋱D
(b)分布圖圖4 齒面接觸點(diǎn)的敏感性系數(shù)
表3 接觸點(diǎn)位置處各加工參數(shù)的敏感性系數(shù)
表4 基于6σ魯棒性優(yōu)化的精確加工參數(shù)和反調(diào)量
通過(guò)上文提出的求解算法可進(jìn)行物理性能和幾何性能評(píng)價(jià)項(xiàng)的評(píng)價(jià)。圖5a給出了參數(shù)反調(diào)和優(yōu)化參數(shù)二次反調(diào)后的齒面ease-off,即目標(biāo)齒面與基本齒面之間的距離偏差,設(shè)為H,參數(shù)反調(diào)后的H最大值為55.644 μm,最小值為-47.69 μm;優(yōu)化參數(shù)反調(diào)后的H最大值為53.465 μm,最小值為-45.83 μm。優(yōu)化參數(shù)二次反調(diào)后的齒面接觸點(diǎn)位置的殘余ease-off(hRMSE)如圖5b所示,其中,最大殘余ease-off為2.178 μm,最小值為-1.870 μm。此目標(biāo)齒面能反映出足夠的齒面精度,因?yàn)楸茹娤骷庸ぞ雀叩哪ハ骷庸さ木攘考?jí)一般為50 μm[21]。與上文客戶所給的目標(biāo)值對(duì)比可知,參數(shù)反調(diào)和優(yōu)化參數(shù)反調(diào)都能達(dá)到提高齒面精度的作用且都滿足設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)的目標(biāo)值;由于優(yōu)化參數(shù)二次反調(diào)在普通參數(shù)反調(diào)的基礎(chǔ)上優(yōu)先考慮敏感性系數(shù)較大的加工參數(shù)進(jìn)行反調(diào),避免了較多個(gè)加工參數(shù)之間的耦合作用影響,優(yōu)化參數(shù)反調(diào)的效果比參數(shù)反調(diào)的效果好??傮w來(lái)說(shuō),通過(guò)再次的優(yōu)化參數(shù)反調(diào)修正,殘余誤差精度有了很好的提高。
圖6給出了MOO方法求解后的物理性能評(píng)價(jià)項(xiàng)。如圖6a所示,齒面接觸區(qū)域位于一個(gè)合理范圍內(nèi),且最大接觸壓力CPMAX達(dá)到了978.25 MPa,主要分布區(qū)域呈長(zhǎng)條形橢圓分布,且沿齒寬方向呈現(xiàn)對(duì)角傾斜狀態(tài),表明了齒面具有足夠的接觸強(qiáng)度。在圖6b中,最大載荷傳動(dòng)誤差LTEMAX為44.685 μrad,且整個(gè)傳動(dòng)誤差變化平穩(wěn),傳動(dòng)噪聲和振動(dòng)性能好。如圖6c所示,重合度CR為1.63。另外,機(jī)械效率η可以通過(guò)計(jì)算公式求得為95.32%。通過(guò)與上文中提出的所要求的目標(biāo)數(shù)值相比較,都達(dá)到了滿意的設(shè)計(jì)要求[22]。
(a)齒面ease-off
(b)求解的殘余ease-off圖5 MOO方法求解后的幾何性能評(píng)價(jià)項(xiàng)
(a)CPMAX
(b)LTEMAX
(c)CR圖6 MOO方法求解后的物理性能評(píng)價(jià)項(xiàng)
(1)基于現(xiàn)有6σ設(shè)計(jì)流程,提出了一種改進(jìn)的DMAIC框架,即定義-測(cè)量-分析-改進(jìn)-控制框架;基于改進(jìn)的參數(shù)驅(qū)動(dòng)關(guān)系,構(gòu)建齒面評(píng)價(jià)項(xiàng)的多目標(biāo)函數(shù),完成產(chǎn)品性能的直接參數(shù)驅(qū)動(dòng)決策與優(yōu)化。
(2)采用模糊QFD的方法,將客戶對(duì)齒輪產(chǎn)品的需求轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的產(chǎn)品質(zhì)量信息,建立基本的MOO模型,引入6σ魯棒性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,得到考慮形性協(xié)同的魯棒性優(yōu)化的MOO模型,采用提出的求解算法,計(jì)算加工參數(shù)反調(diào)量和優(yōu)化加工參數(shù)二次反調(diào)量,根據(jù)計(jì)算的反調(diào)量,通過(guò)LTCA方法求解得到齒面加載接觸性能。
(3)以一對(duì)航空用螺旋錐齒輪為例,利用所提方法計(jì)算得到MOO加工參數(shù)反調(diào)量,根據(jù)反調(diào)量獲得最終的齒面評(píng)價(jià)項(xiàng)LTEMAX、CPMAX、CR、hRMSE等,與客戶提出的設(shè)計(jì)要求對(duì)比驗(yàn)證,較好地滿足了設(shè)計(jì)要求,證明了設(shè)計(jì)方法的正確性,可為將來(lái)的螺旋錐齒輪形性協(xié)同制造及智能制造提供技術(shù)支撐。